Investigation of the behaviour of hydrogen peroxide under extreme conditions

In recent years, the pursuit of environmentally friendly alternatives for both launchers and in-space propulsion systems has gained significant attention due to the global commitment to reduce toxicity in these systems. One such alternative that has garnered interest is hydrogen peroxide (HTP), which shows promise for applications as both a monopropellant and bipropellant. HTP is valued for its high energy density, spontaneous decomposition, and non-toxic nature, making it an attractive option. However, it is important to acknowledge certain drawbacks associated with HTP, including its strong oxidizing properties, corrosiveness, and compatibility issues with various aerospace materials. Moreover, the behavior of hydrogen peroxide at high temperatures and pressures necessitates in-depth investigations. This study focuses on analyzing the safety aspects of hydrogen peroxide, particularly its compatibility and detonability characteristics. A comprehensive review of these aspects is presented, and efforts are made to model the explosive behavior of HTP through numerical simulations. The developed algorithm employs ideal and real gas models, with specific focus on ideal gas behavior and the utilization of a 7-terms polynomial equation and activity coefficients to account for real gas behavior. The application of Dalton and Raoult's laws is employed to establish the equilibrium conditions of the system. The obtained results are compared with existing literature data to identify the explosive regions at different concentrations of hydrogen peroxide. Furthermore, the study aims to establish the necessary requirements for designing an experimental apparatus that can validate the simulation outcomes. The design process incorporates considerations for enthalpy and specific heat variations at different temperatures using polynomial equations, which are utilized in an algorithm aimed at optimizing the size of the experimental setup. In conclusion, this research contributes to a better understanding of hydrogen peroxide's safety characteristics, enabling informed decision-making in the development and application of this propellant. The findings provide valuable insights into compatibility, detonability, and explosive behavior, laying the foundation for future experimental investigations and the advancement of hydrogen peroxide as a green propellant option in the aerospace industry.

Negli ultimi anni, la ricerca di alternative ecologicamente sostenibili per i sistemi di lancio e di propulsione nello spazio ha attirato grande attenzione a causa dell’impegno globale a ridurre la tossicità di tali sistemi. Una di queste alternative che ha suscitato interesse è il perossido di idrogeno (HTP), che mostra promesse per l’utilizzo sia come monopropellente che come bipropellente. L’HTP è apprezzato per la sua elevata densità energetica, la sua decomposizione spontanea e la sua natura non tossica, rendendolo una scelta attraente. Tuttavia, è importante considerare alcuni svantaggi associati all’HTP, tra cui le sue forti proprietà ossidanti, la corrosività e i problemi di compatibilità con vari materiali aerospaziali. Inoltre, il comportamento del perossido di idrogeno ad alte temperature e pressioni richiede approfondite indagini. Questo studio si concentra sull’analisi degli aspetti legati alla sicurezza del perossido di idrogeno, in particolare sulle sue caratteristiche di compatibilità e detonabilità. Viene presentata una revisione completa di tali aspetti e vengono effettuati sforzi per modellare il comportamento esplosivo dell’HTP attraverso simulazioni numeriche. L’algoritmo sviluppato utilizza modelli di gas ideali e reali, con particolare attenzione al comportamento del gas ideale e all’utilizzo di un’equazione polinomiale a 7 termini e coefficienti di attività per tener conto del comportamento del gas reale. L’applicazione delle leggi di Dalton e Raoult viene impiegata per stabilire le condizioni di equilibrio del sistema. I risultati ottenuti vengono confrontati con i dati presenti in letteratura per identificare le regioni esplosive a diverse concentrazioni di perossido di idrogeno. Inoltre, lo studio si propone di stabilire i requisiti necessari per progettare un’apparecchiatura sperimentale in grado di convalidare i risultati delle simulazioni. Il processo di progettazione tiene conto delle variazioni di entalpia e calore specifico a diverse temperature utilizzando equazioni polinomiali, che vengono utilizzate in un algoritmo finalizzato all’ottimizzazione delle dimensioni dell’apparato sperimentale. In conclusione, questa ricerca contribuisce a una migliore comprensione delle caratteristiche di sicurezza del perossido di idrogeno, consentendo decisioni informate nello sviluppo e nell’applicazione di questo propellente. I risultati forniscono preziose informazioni sulla compatibilità, la detonabilità e il comportamento esplosivo, gettando le basi per future indagini sperimentali e per l’avanzamento del perossido di idrogeno come opzione di propellente ecologico nell’industria aerospaziale.